青编委专辑 | 航空航天复材“黑黄金”的激光精密制造

封面展示了激光切割碳纤维增强复合材料在探测卫星上的应用，碳纤维增强复合材料（CFRP）以其轻质高强、热膨胀系数低及出色的耐腐蚀性能，已成为航空航天领域轻量化、高性能、低成本制造的关键材料之一。CFRP构件由各向异性的碳纤维增强相与树脂基体按照所需的配比和铺层角度压制而成，高能激光束作用于材料表面，可实现碳纤维和树脂的均匀切割或选择性去除，是最理想加工工具之一。

随着航空航天器件朝着大尺寸、高承载、长寿命趋势发展，结构轻量化与高刚度已成为飞机、火箭、卫星等航空航天产品设计制造的基本需求。碳纤维增强复合材料（CFRP）由碳纤维增强相和聚合物（一般为树脂）基体按照所需配比和铺层角度压制而成^[1]（图1），具有质轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、低热膨胀、抗疲劳性好、可设计强等突出优点，是近年来航空航天领域应用最典型、最广泛和最重要的复合材料之一，被誉为航空航天复材“黑黄金”。具体应用如图2所示。

在航空航天设备的加工制造中，CFRP构件为满足工艺要求需进行大量的切割、钻孔、修边等加工过程^[6]。CFRP自身的非均质、耐磨损、高硬度等特征使其在加工过程中容易出现分层、毛刺、热损伤等加工缺陷，属于典型的难加工材料^[8]。目前CFRP加工方法主要包括机械加工、超声振动辅助加工、水射流加工、电火花加工、激光加工等。

本文综述了CFRP各种加工方法的研究进展，从方法、工艺及机理层面介绍了激光加工CFRP研究现状，总结了CFRP在航空航天领域的应用，分析讨论激光加工CFRP尚存的挑战并进行相应的展望。

图1 CFRP复合材料。（a）宏观形貌；（b）微观组成^[1]

激光加工具有精度高、无机械应力/变形、无刀具磨损、灵活快速、非接触等优势，有望成为CFRP低损伤和高效率加工的有效手段。然而CFRP中树脂与碳纤维热力学性能存在巨大差异，激光加工过程中易产生树脂被烧蚀、碳纤维残留暴露的热影响区，影响材料的力学性能^[7]。

CFRP激光加工方法根据激光脉冲持续时间可分为连续激光加工、长脉冲激光加工、短脉冲激光加工和超快激光加工。除超快激光外，其他激光加工主要依靠热效应完成材料的烧蚀、熔化和去除，通常会产生百微米量级的热影响区。

图3（a-c）分别为毫秒、纳秒和皮秒激光加工CFRP的结果形貌图，2.5 mm厚CFRP材料在毫秒激光加工下的热影响区范围为600~2050 μm，而纳秒和皮秒激光加工的热影响区尺寸仅为140 μm和90 μm，热影响区尺寸越小，材料的抗拉性能越好^[9]。

超快激光具有超快、超强、超精密的独特优势，其利用物理/化学效应、作用机制不同于其他激光加工，其“冷”加工效果可轻松将热影响区尺寸降低到百微米甚至十微米以下，如图3（d-f）所示，皮秒激光“双旋转”工艺可实现热影响区小于60 μm^[10]，而飞秒激光可实现热影响区低于10 μm的高质量孔径加工^[11]。

此外，水导激光加工、激光与机械复合加工等激光复合加工技术也成为CFRP加工领域关注的重点之一。水导激光将激光束耦合到水射流之中后作用于工件表面，加工后截面如图4所示^[12-13]，集合了水射流切割温度低、工作距离长等优点，成为解决激光加工中飞溅物堆积、热损伤严重等问题的方法之一。激光与机械复合加工在在激光钻孔的基础上，预留一定精加工余量用于机械扩孔的复合工艺^[14]，有效避免了机械加工应力集中导致材料易分层和激光加工热影响区残留、锥度较大等问题，提高激光加工效率的同时延长了刀具寿命。

但上述方法仍存在一些问题，如超快激光、水导激光加工功率受限，激光与机械复合加工刀具磨损问题无法完全避免等。高功率超快激光近年得到快速发展，有望成为解决CFRP构件高质高效微细加工重要手段。

图3 激光钻孔CFRP入口热影响区变化。（a-c）毫秒、纳秒、皮秒激光钻孔加工CFRP^[9]；（d-e）皮秒激光“双旋转”钻孔加工CFRP^[10]；（f）飞秒激光旋切钻孔CFRP^[11]

图4 水导激光加工CFRP。（a）水导激光和传统激光切割CFRP切面对比^[12]；（b）4 mm厚CFRP水导激光加工后狭缝形貌^[13]

从激光加工CFRP工艺来看（图5），钻孔/切割是激光加工CFRP最常见的加工内容，相较于机械加工方法，激光加工可显著提升CFRP钻孔/切割质量^[10]，工艺灵活可调，针对不同应用可进行定制化加工工艺设计。

激光表面处理常应用于CFRP表面选择性去除^[15]、表面微纳结构加工^[16]等，能够有效调控CFRP表面形貌、粗糙度、化学成分、润湿性等物理/化学性能，提高材料在航空航天领域应用的稳定性。

激光焊接主要应用与CFRP与钛合金、铝合金、钢等金属材料的高质量连接^[17-18]，可有效解决机械连接中的应力集中、应力腐蚀和胶接中粘结剂不易附着、粘结不均匀等问题，在航空航天领域具有广泛的应用前景。

激光辅助成形^[19]可将CFRP自动化成形技术和固化方式集成为一体，降低材料制造成本；激光检测^[20]可应用于CFRP表面缺陷的无损检测，评估材料和部件的安全性和可靠性。可见，激光技术在CFRP制备、加工、检测等众多领域中发挥着重要应用。 

图5 激光加工CFRP工艺。（a）激光钻孔CFRP^[10]；（b）激光表面处理制备CFRP表面微纳结构^[16]；（c）激光焊接CFRP与钢优化前后气泡对比^[17]

在激光加工CFRP机理研究方面（图6），研究人员主要从宏观层面分析了激光与CFRP相互作用过程时能量传递以及材料不同组分的温升响应关系^[21-22]，或通过高速摄像等观测设备进行定性的机理分析^[23-24]，对深入理解激光与CFRP的相互作用机制，指导激光加工的参数选择具有重要意义。

然而，目前激光与CFRP相互作用机理研究主要基于实验现象推论和均质化或非均质化处理的热平衡傅里叶传输方程，尚未考虑加工过程中局部瞬时电子动态所引起的复合材料特性的巨大变化。CFRP中树脂与碳纤维在超快激光作用下响应迥异，关于超快激光作用下CFRP的非线性、非平衡、非均质能量传输过程还有待深入研究。

图6 激光与CFRP作用机理。（a）CFRP均质化处理的数值模型^[21]；（b）CFRP非均质处理的数值模型^[22]；（c）CFRP声发射技术探测实验^[24]

CFRP的非均质性、各向异性和层合结构的特性，使其在加工过程中易产生分层、毛刺、热损伤等缺陷，严重影响CFRP构件的机械性能和应用表现。与其他加工方式相比，激光加工具有精度高、非接触、灵活快速等特点，在CFRP钻孔/切割、表面处理、焊接等多种工艺中得到广泛应用。

超快激光以其超快超强的特性缩短了激光与材料的作用时间，可实现非接触“冷”加工，减少热积累，有望成为提升CFRP加工质量的有效手段。然而激光加工CFRP的热损伤机理尚不明晰，缺乏对激光加工CFRP非线性、非平衡、非均质能量传输过程的深入认识。

为进一步提升CFRP的加工质量和效率，还需要对超快激光加工和激光复合加工等新方法新工艺进行更深入的探索与研究。

北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造研究所主要从事超快激光制造领域的研究。牵头承担科技部973项目、国家重点研发计划项目/课题、JKW基础加强重点项目/课题、国家重大科技专项课题、国家基金委重大研究计划集成/重点项目、国家基金委联合基金重点项目、国家杰青项目等。曾获2016年国家自然科学奖二等奖、2017年何梁何利科技创新奖、2018年教育部技术发明奖一等奖、2022年广东省科技进步奖一等奖、2023年全国创新争先奖状等。

团队解决了长期制约飞秒激光制造的理论和观测难题，成功预测了系列重要反常效应，获国际广泛实验证实；提出并实现了飞秒激光电子动态调控（Electrons Dynamics Control，EDC）制造新原理，首次实现了激光制造中电子层面主动调控，拓展了激光制造极限能力；发明了系列EDC制造新技术、新装备，率先实现了飞秒激光制造重大工程应用和产业化应用。

李欣，北京理工大学教授，国家自然科学基金优秀青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金优青等，参加科技部973、国家自然基金重大集成/重点等项目。获国家自然科学二等奖（第3完成人）、教育部自然科学一等奖2项（第2和第6完成人）等奖励；获中国机械工程学会上银优秀机械博士论文奖指导教师奖（2次）。发表SCI论文70余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials等发表SCI论文30余篇。担任中国机械工程学会极端制造分会委员会委员、中国感光学会光学精密成型专委会委员、中国激光杂志社青年编委会委员及《中国激光》青年编委等。

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